淺析高功率光纖激光器

        前言：

 

        所謂高功率光纖激光器，是相對于光纖通訊中作為載波的低功率光纖激光器而言（功率為mW級），是定位于機械加工、激光醫(yī)療、汽車制造和軍事等行業(yè)的高強度光源。高功率光纖激光器巧妙地把光纖技術與激光原理有機地融為一體，鑄造了21世紀最先進和最犀利的激光器。即使是在激光技術發(fā)達的國家，光纖激光器也是尖端、神秘和充滿誘惑的代名詞。2002年6月，光纖激光器空降中國，震撼了中國激光學術和產業(yè)界，引起了尊至院士的深情關注!

 

    一、光纖技術

 

        光纖激光器的最大特點就是一根光纖穿到底，整臺機器高度實現光纖一體化。而那些只在外部導光部分采用光纖傳輸或者LD泵浦源采用尾纖來耦合的激光器都不是真正意義上的光纖激光器。

 

        光纖是以SiO2為基質材料拉成的玻璃實體纖維，主要廣泛應用于光纖通訊，其導光原理就是光的全反射機理。普通裸光纖一般由中心高折射率玻璃芯(芯徑一般為9-62.5μm)?、中間低折射率硅玻璃包層?(芯徑一般為125μm)?和最外部的加強樹脂涂層組成?！匆妶D一〉光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：中心玻璃芯較細(直徑9μm+0.5μm)，只能傳一種模式的光，其模間色散很小，具有自選模和限模的功能。多模光纖：中心玻璃芯較粗(50μm?+1μm)，可傳多種模式的光，但其模間色散較大，傳輸的光不純。

 

 

       用于高功率光纖激光器中的光纖不是普通的通訊光纖，而是摻雜了多種稀有離子、結構更為復雜、耐高輻射的特種光纖---雙包層光纖。

 

 

        雙包層光纖比普通光纖在纖芯外多了一個內包層，對泵浦光而言是多模的，直徑和受光角較大，能大肆吸收高亮度的多模泵浦光，在光纖內聚集大量的光子。實踐證明：橫截面為D型和矩形的雙包層光纖具有95%的耦合效率因而得到廣泛應用。對于脈沖光纖激光器而言，一個重大的課題就是如何提高光纖的耐輻射能力。目前世界上光纖激光器的單脈沖能力可以達到20,000W，一根頭發(fā)絲大小的光纖如何能承受如此高的激光輻射？所以必須考慮在光纖內摻雜某種特殊離子防止光纖被燒壞。比如摻雜了鈰離子的光纖就是在核輻射情況下，既不會因染色而失去透光能力，更不會受熱變形。

   

       二、傳統固體激光器

 

        激光器說白了就是一個波長轉換器---波長短的泵浦光激勵摻雜離子轉換成長波長的光輻射，它一般由3部分組成：工作物質、諧振腔和泵浦系統。由于光纖激光器本質上屬于固體激光器，所以在此僅比較一下傳統Nd:YAG激光器的特性。

 

   工作物質：

 

   工作物質是固體激光器的心臟，它的物理性質由基質材料決定，光譜性質由激活離子內的能級結構決定。在YAG單晶體中摻入三價的Nd3+，便構成了目前廣泛應用的YAG激光晶體。它主要有如下明顯的特點：

 

       1、YAG棒生長速度很慢，一般小于1mm/h。目前最大晶體棒的直徑為40mm，長180mm，所以激光增益從根本上受到限制，無法實現特高功率激光輸出。 

       2、工作物質只要是晶體就無法回避激光棒的熱透鏡效應、熱應變和熱致雙折射現象，嚴重時出現“激光淬滅”和激光棒斷裂；所以，YAG激光器效率很低。

       3、Nd:YAG棒的主要吸收譜線在810nm附近，其帶寬約為2nm，所以要嚴格控制泵浦源的線寬，否則吸收無效反而造成熱損耗，所以YAG激光器一般要加龐大的冷卻系統。

       4、由于Nd3+半徑與Y3+半徑不完全相符，Nd3+離子摻入YAG晶體中在結構上存有天生的缺陷造成光學瑕疵，不能夠在YAG晶體中摻入高濃度的Nd3+來實現高增益，這同時也是影響激光器光學性能的根本。

       5、處于亞穩(wěn)態(tài)能級的Nd3+離子平均壽命長為300us，其最佳Q開關重復頻率只能是1/300us，即3.3Khz，所以YAG激光器的Q開關一般設定為3-5Khz而無法實現高頻工作。

 

     光學諧振腔：

 

        傳統光學諧振腔主要由工作物質兩端鍍了膜的兩塊鏡片組成，起著正反饋、選模和輸出耦合的作用。比較光纖激光器獨特的腔結構，傳統光學諧振腔主要有如下特點：

      1、由于是由兩塊鏡片組成，諧振腔受到機械振動、熱透鏡效應以及晶體棒熱焦距擾動影響，從而造成激光無法正常出光，需極為煩瑣的調光與監(jiān)控。

      2、腔鏡對灰塵、水分和雜物十分敏感，需經常專業(yè)擦拭，否則影響激光功率。

      3、腔長長度與輸出功率是一對矛盾，光束質量與激光能量是一對矛盾；只有采取昂貴的選模/鎖模腔才可以實現高質量的大功率輸出。

      4、從激光晶體激勵出來的初始激光不是單模光，而是一束直徑為幾毫米的光束，必須通過腔鏡衰減或選模機制來實現單模輸出，從而降低了整體轉換效率。

 

        泵浦系統：

 

       由于燈泵系統的優(yōu)缺點廣為人知，在此僅談談DPSSL的泵浦方式的某些特性：

      1、由于DPPSSL主要是在泵浦系統上稍作改進，它只能緩解激光棒熱效應，而無法從本質上根除晶體激光器的這個弊病。

      2、需嚴格控制LD的波長在808-812nm之間，要么加冷卻系統，要么加波長鎖定器，這是由于Nd :YAG晶體光譜特性所決定的。

      3、如泵浦光聚焦在幾毫米的晶體端面進行端泵，一是無法實現高功率輸出；二是泵浦光不能太強，否則膜層可能脫落，晶體棒無法及時散熱，甚至出現棒畸變。

      4、如泵浦光對晶體進行側面泵浦，則一般為多模輸出，如不采取專門措施，無法提高光束質量。

      5、LD直接發(fā)射出的激光為高度高斯像散光束，在進行端泵時需增加各種光學元件把泵浦光校準、聚焦在晶體上，這些附加的光學器件必將受到機械振動、灰塵和潮濕的影響，從而降低轉換效率。

 

       三、低功率光纖激光器

 

       普通通訊用的光纖激光器輸出功率一般都是毫瓦級，其典型結構如下圖

 

 

        它與我們傳統加工用的工業(yè)激光的顯著區(qū)別有：
 

       1、用摻雜離子的光纖作為工作物質

       2、用光纖光柵代替光學鏡片構成光學諧振腔

       3、LD泵浦源可以通過尾纖與摻雜光纖無縫耦合

       4、導光部分也直接采用光纖輸出

 

        但是該種激光器的單模纖芯直徑只有9um，而且只能采用端泵，無法承受太高的功率密度；另外，單模纖芯對LD的模式提出了嚴格的要求，只有單模光才可以耦合進纖芯進行有效泵浦，可惜大功率單模LD至今無法實現；最后，強泵浦光耦合在很細的纖芯里會出現嚴重的非線性效應，從而改變會改變光學性能和降低轉換效率。由于該種激光器受到功率的影響，一直以來只局限于光通訊領域；同時由于巨大的行業(yè)差距，幾乎無人曾敢把它與激光加工聯想到一塊。所以，大功率輸出是光纖激光器發(fā)展的最大瓶頸，幾乎所有的研究工作都在圍繞這個問題展開。

 

        盡管中國絕大部分人士是在2002年以后才意識到高功率光纖激光器，可是俄羅斯至少潛心苦研了20年后有了IPG公司，英國也至少研究了30年也有了SPI。他們在冷戰(zhàn)時代都肩負著重要的國防使命，得到了國家的鼎立支持并一直是軍事領域的絕密。?

 

        四、高功率光纖激光器

 

        下圖是來自俄羅斯技術的IPG公司的高功率光纖激光器的原理圖，按激光器三大組成部分淺析如下：

 

 

        工作物質-----雙包層特種光纖：
 

        1、單模纖芯由摻鐿離子等元素的石英材料構成，作為激光振蕩通道；而內包層則由橫向尺寸和數值孔徑比纖芯大的多、折射率比纖芯小的純石英材料構成，它是接受多模LD泵浦光的多模光纖；正是因為摻雜激活纖芯和接受多模泵浦光的多模內包層分開，才得以實現了多模光泵浦而單模光輸出的可能，從而無形化解了激光功率和光束質量這一矛盾。

       2、整個雙包層光纖采用D型等結構，旋光效應小，吸收充分，光光轉換80%以上。

       3、光纖兩側生出無數杈纖，每分衩可與帶尾纖的LD無縫耦合形成分點泵浦，可極大地提高輸出功率，同時又避免了傳統端泵帶來的一系列熱效應問題。

       4、光纖采用比普通玻璃性能更好的石英材料制成，同時摻雜耐高輻射離子，整段光纖可承受高達10,000W的激光能量而不會出現熱損傷情況。

       5、Yb3+沒有激發(fā)態(tài)吸收，可高濃度摻雜，同時光纖可達幾百米，一可大大提高激光增益，二又增大了散熱面積；光纖盤在熱沉上，簡單風冷便可穩(wěn)定工作。

       6、 Yb3+的吸收譜比Nd3+要寬10倍，對LD光源模式十分寬松，幾乎不受波長溫漂的影響，可大大轉換效率。

       7、 Yb3+能級為簡單的二能級，亞穩(wěn)態(tài)壽命是Nd3+的三倍，小功率泵源就可在激發(fā)態(tài)積累貯存大量的能量，十分合適在極窄的纖芯內形成高密度的離子數反轉，從而可輸出穩(wěn)定的強激光。

 

 

        光學諧振腔----光纖光柵：

 

 

         1、光纖光柵是利用光纖材料的光敏性：即外界入射光子和纖芯相互作用而引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖的纖芯內形成的空間相位光柵，其實質是在纖芯內形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。

         2、光纖光柵是被刻在纖芯的兩端，當激活離子發(fā)射出一連續(xù)寬帶光傳輸到光柵時，它會有選擇地反射回相應的一個窄帶光（如1064nm），并沿原傳輸光纖返回振動；其余雜光則直接透射或發(fā)射到光纖外濾掉。  

        3、光纖光柵是在纖芯本身上刻錄的，與光纖連成一體高度融合，不占任何額外體積，無任何插損，不怕任何振動和雜物的侵入。

        4、光纖光柵起著激光選頻、反饋和放大的功能，從而巧妙地取代了鏡片式傳統光學諧振腔，從根本上解決了震動、灰塵和潮濕等引起的一系列光路需調節(jié)的煩瑣問題。 

        5、一般的通訊光纖光柵是溫度敏感的，要承受高功率激光輻射，則必須采用負膨脹材料封裝光纖光柵，把溫漂系數控制在0.001nm/oC以下。

 

         泵浦系統-----側面泵浦：

 

 

        1、采用杈纖直接熔接耦合進行側泵，一無需任何光學元件，二可避免損傷光纖端面，三是容易提高泵源的注入。  

        2、新穎的蜈蚣式側泵方式：光纖兩側生許多纖杈與LD尾纖直接熔接，從各個不同點進行單個泵浦，可避免強激光單點引起的非線性效應和模式惡化。 

        3、采用多個高功率LD單管代替LD集成陣列作泵浦源，一可提高光源的模式，二是易于泵源的散熱提高壽命，三有利于維修更換。  

        4、采用發(fā)光面很寬的LD（100-250us）作為泵源可大大降低LD發(fā)光點所承受的光功率密度提高其壽命，一般可達100,000小時。

 

        五、脈沖光纖激光器

 

          既然光纖激光器的諧振腔本身就是一段光纖，所以它不能像傳統激光器那樣在諧振腔內插入Q開關來實現脈沖輸出，因為把光纖諧振腔（就是光纖）攔腰截斷插入Q晶體，一會增大插入損耗，二會影響整個激光器的緊湊性而無法實現光纖一體化。所以如何實現光纖激光器的脈沖輸出又是一個全新的研究課題。目前比較成熟的技術是采用MOPA（主振動功率放大）技術來實現。

 

 

         MO（Master Oscillator）就是主振動器，它其實就是一個功率（10-20mw）很小的激光器，一般可選用波長合適（如1064nm）的LD。小功率LD很容易通過驅動電流來直接調制輸出參數，如重復頻率、脈寬、脈沖波形以及功率大小，通過尾纖把光脈沖信號串聯進PA(Power Amplifier)---光纖功率放大器進行光脈沖放大。光纖放大器一般只用于光纖通訊，它的原理與光纖激光器十分相似，只不過撤掉了光纖兩端的光纖光柵而無法形成激光振動，只起信號放大作用。光纖放大器能嚴格按照MO耦合近來的種子源光進行原形放大，卻不改變激光波長、重復頻率、脈寬和脈沖波形。所以脈沖激光器采用MOPA方式，既可得到優(yōu)良的激光特性，又能大大提高輸出激光的亮度。這是傳統方式所無法達到的綜合效果。

 

        從MO出來的光脈沖通過PA放大器時，脈沖的各部位獲得的增益會不同：脈沖前沿的增益按指數規(guī)律增加，脈沖后部的增益逐漸減少，脈沖后沿增益最小，尤其是如果脈沖信號光很強，或脈寬較寬時，脈沖后沿根本就得不到放大。所以在PA中一般要加上增益平坦器，使得脈沖各部位得到均勻放大（如果入射信號的能量很小或者脈沖很短，整個脈沖可得到均勻放大，而且脈沖形狀保持不變）。 激光脈沖通過放大器之后，其波形的變化與入射信號脈沖的前沿上升速度有著直接的關系。如果信號光是高斯型脈沖，因脈沖前沿上升比指數還快，所以經過放大后，脈寬可以得到壓縮；如果是指數型脈沖，形狀和脈寬幾乎都不變化；如果輸入脈沖前沿上升時間比指數函數更緩慢，則放大后其脈寬會變寬。一般為了獲得高功率、窄脈寬的激光脈沖，可以在信號進入放大器之前，采用削波技術切去脈沖的緩慢上升部分，使其脈沖前沿變陡，即能達到壓縮脈寬的目的。

 

         六、中國的高功率光纖激光器

 

        盡管高功率光纖激的在中國的市場容量十分巨大，可是中國目前相關研究工作都相對滯后，還處在摸索的初級階段，關鍵部件都需進口。同時，雖然上海光機所、長春光機所、清華大學和南開大學在該領域取得了階段性的實驗成果，但是多沿襲了傳統激光理論，離國際先進水平相差甚遠，更談不上短期內實現商業(yè)化。而且都停留在連續(xù)光纖激光器方面，至于應用更為廣泛的高功率脈沖光纖激光器至今尚無任何實質性進展。